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引领新世代微控制器的开发与应用 : MCC 与 CIP
 

【作者: 楊雲樟】2016年08月19日 星期五

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前言: 单晶片微处理控制器发展至今也超过 45个 (Intel 4004, 1971)年头了,当然这段期间微控制器也遵循着模尔定律的快速成长方式来发展。以目前唾手可得的 MCU 就其功能与效能来看就远比80年代使用 8088 为核心的个人电脑 (PC) 的表现更为优秀,当然这全拜于半导体不断进步的制程。在早期使用 MCU 的工程师都知道 MCU 内建的周边是极为精简的,如 8051 就只有 I/O, Timer 及 UART 使用起来也没有繁杂的设定。但现今各家所发展出的 MCU 已今非昔比,周边种类多到十只手指算两翻都还算不完,如此一来要能完整搞定周边设定已不在是一门简单的任务了。


CIPs : 以前的 MCU 周边简单注重的是程式的撰写,但新一代 MCU 所提供的丰富周边,导致设计师面对这些多样化的周边设定程序俨然形成一种新的挑战。举例来说,早期的 MCU 我们所提到的周边不外乎都是一些标准的周边如: Timer, UART, SPI, I2C, ADC, PWM 等耳熟能详的周边。基本上这些标准周边在做设定时都是可单独设定的,且周边之间的关联性都很单纯,如Microchip 早期的 PIC16F887 之类所支援的周边。但现今MCU 的进展如前言所述,新推出的周边也日新月异,以Microchip 为例这些经强化后的新周边称之为“独立于核心外的周边“(Code Independent Peripherals, 简称CIPs),顾名思义也就是这些CIP 周边可独自运作无需耗用MCU 的能力,如此一来可大大提升整个MCU 的效能(Performance)。


CIP 的周边有别于传统标准周边,因为 CIP 完成初始设定后即可独立运作无需MCU 的介入。如右图所示,如此众多的周边在设定上如果没有个图型化 (GUI) 的人机设定介面,对设计师而言将会是一个困难的挑战。举例来说这些CIP 周边在 MCU 内部都可相互连接,只要对暂存器做输出、入的内部连线设定即可。说是简单但实际在暂存器的连线设定确是一大难题,如何协助设计师解决此问题呢!



图一
图一

MCC : Microchip Code Configuration (MCC) 除了以图型化方式协助完成周边的设定外也会检查设定上是否有错误及脚位上的设定冲突检查,最后只要按下“产生程式”的图示就可以产生周边的初始设定程式及相关的C语言的周边函数,使用起来相当的方便、快速及易于更改等效益。如果只有 CIP 周边却没有 MCC 的相辅相成,这 CIP 将会是难以使用的周边。接下来将举个例子来展示一下 MCC + CIP 的强大功能。


案例 : 有一个 AC 电源的输入由一个TRIAC 来控制其正、负周的导通,其导通角可以由一直流来控置导通的角度,且 TRIAC 的触发讯号为一连续的触发方波。看起来这好像是一个交流调光器,也可能是应用在机车的点火系统。我们希望的是这点火系统是可以独立运作的并可以在输入的交流讯号的 0 度时做控制电压的侦测以改变点火的角度。乍看之下这应用没有什么困难之处,可以用 MCU 就可以完成了。但如果的交流讯号其频率是可变的( 10Hz ~ 1KHz的范围) 且为确保其输出能确时触发 TRIAC 这最后的触出发讯号必须是连续的五个 50% Duty 的PWM 输出。这 AC 触发角度也必须控制在正半周的 10 度 ~ 170 度及负半周的 190度 ~ 350 度之间的相位控制。基于以上的需求,这是一般内建标准周边的 MCU 很难达成的任务。



图二
图二

在此,挑选的一颗 Microchip 的 PIC16F1619 的元件来架构出此应用。如右图三的 CIP 的连接方块图来完成此一点火系统,而不会耗用MCU 的执行效能。



图三
图三

功能说明:


1. 交流讯号送进 ZCD 零点侦测取得跨越零点的方波。


2. 方波送入角度侦测计时器并刻划出 360 度的角度后送进正半周及负半周角度的比较器里,比较的角度值由 ADC 来决定。角度比较器的输出再经 CLC 里由RS 正反器输出一个已经相移后的方波。



图四
图四

3. CLC 输出的相移方传送到 HLT/TMR2 利用方波的上升与下降缘来触发 Timer2 以产生两个 160uS 的时间框。


4. 将这时间框送到 HLT/TMR4 产生5 个 32uS 的 PWM 周期时间再配合 PWM4 最终产生 5 个 16uS Duty 的 PWM 脉冲输出做为点火讯号。


以上的动作,除了 ADC 角度变更需耗用一点点的 MCU 执行效能,其余的动作皆是由内部的 CIP 周边以硬体方式来完成的,如此一来小小 MCU 也可以完成大功能。


本文作者为:Microchip工程师杨云章


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